第十章 炼胶工艺

第十章炼胶工艺

（Chapter10:Mixingprocess）4学时《橡胶工艺学》精品课程多媒体教程本章主要内容炼胶内容与要求1混炼设备及其工作原理2生胶塑炼工艺3混炼理论及工艺方法4混炼控制及混炼胶的检验5本章要求（1）掌握炼胶的要求及常用的炼胶设备，了解其工作原理；（2）掌握生胶塑炼的目的、工艺方法、塑炼机理；（3）掌握炼胶的工艺过程、了解混炼理论；（4）掌握开炼机混炼的加料顺序及影响因素；（5）掌握密炼机混炼的工艺方法及影响因素；（6）掌握炼胶过程的控制方法（7）掌握混炼胶配合剂分散性的测定方法第一节概述①可塑度大小合适且均匀；②配合剂分散均匀并达一定分散度；③混炼胶的性能要符合要求；④时间短，能耗低。一、炼胶的内容及要求1、内容炼胶塑炼：使生胶由强韧的高弹状态转变为柔软而富有可塑性状态的加工工艺过程。混炼：将生胶与配合剂混合均匀，制备符合性能要求的混炼胶的工艺过程。2、要求二、炼胶设备炼胶主要设备开炼机密炼机螺杆机1、开炼机工作原理示意图：速比：f=V1/V2剪切速率：γ＝V2(f-1）/e四楼三楼二楼一楼炭黑斗炭黑秤密炼机流片机微机室双管气体输送油管路胶料秤油秤冷却小料秤密炼机炼胶工艺流程示意图2、密炼机组炭黑贮仓上辅机炭黑自动称量与输送系统油料自动称量与输送系统小料自动称量系统胶料称量系统密炼机组密炼机密炼室转子上顶栓下顶栓下辅机流片机隔离剂槽挂片架折叠停放装置（带裁断）1台开炼机辊筒机头挤出机2台开炼机多台开炼机炭黑自动称量与输送系统（示意图）炭黑自动称量系统油料自动称量与输送系统通密炼机小料自动称量系统（投料口）小料自动称量系统胶料称量系统GK400型密炼机二棱转子四棱转子密炼机控制中心流片机（开炼机）胶料输送装置流片机（辊筒机头螺杆挤出机）冷却装置冷却槽（水冷）风冷叠放三、炼胶过程及方法工艺过程：选胶烘胶破胶塑炼粉碎配合剂胶筛选干燥称量混炼压片冷却停放压延或挤出准备工艺混炼工艺后处理工艺混炼方法：按炼胶设备分乳液混炼法：液相连续混炼法机械混炼法按温度分开炼机炼胶密炼机炼胶螺杆机炼胶低温炼胶：开炼机炼胶、液相连续混炼高温炼胶：密炼机炼胶、螺杆机炼胶间歇式炼胶连续式炼胶低温一次连续混炼法按过程连续性分开炼机炼胶密炼机炼胶液相连续混炼法螺杆机炼胶低温一次连续混炼法炼胶准备工艺生胶的塑炼原材料的质量检验原材料的补充加工称量配合开炼机塑炼密炼机塑炼螺杆机塑炼粉碎筛选加热油膏母炼胶的制备手工称量半自动称量全自动称量包辊法薄通法爬高法化学增塑法一段塑炼分段塑炼化学增塑塑炼选胶烘胶切胶破胶下片冷却停放第二节炼胶准备工艺一、生胶的塑炼

塑炼是指通过机械应力、热、氧或加入某些化学试剂等方式，使橡胶由强韧的高弹性状态转变为柔软的塑性状态的过程。塑性（可塑性）：橡胶在发生变形后，不能恢复其原来状态，或者说保持其变形状态的性质。目的：（1）减小弹性，提高可塑性；降低粘度，改善流动性；（2）提高胶料溶解性和成型粘着性。

要求：（1）可塑度要适当（2）塑炼均匀（一）塑炼的目的与要求常用塑炼胶的可塑度要求（威氏）塑炼胶种类可塑度要求塑炼胶种类可塑度要求胶布胶浆用塑炼胶海绵胶用塑炼胶0.50~0.60含胶率≥45%0.52~0.56挤出胶料用塑炼胶含胶率＜45%0.56~0.60胶管外层胶0.30~0.35传动带擦布用塑炼胶0.49~0.55胶管内层胶0.25~0.30V带线绳浸胶塑炼胶0.50左右胎面胶用塑炼胶0.22~0.24压延胶片用塑炼胶胎侧胶用塑炼胶0.35左右胶片厚度≥0.1mm0.35~0.45内胎胶用塑炼胶0.42左右胶片厚度＜0.1mm0.47~0.56缓冲帘布胶用塑炼胶0.50左右理论依据：ηa=A*Mw3.4

机械力作用：使橡胶分子链断裂

氧气作用：使分子链稳定在断裂的状态一般不加塑解剂。1、开炼机塑炼的原理（二）塑炼机理2、密炼机塑炼原理

物料从加料斗加入密炼室后，加料门关闭，压料装置的上顶栓降落，对物料加压。物料在上顶栓压力及摩擦力的作用下，被带入两个具有螺旋棱、有速比的、相对回转的两转子的间隙中，致使物料在由转子与转子，转子与密炼室壁、上顶栓、下顶栓组成的捏炼系统内，受到不断变化和反复进行的剪切、撕拉、搅拌和摩擦的强烈捏炼作用，使胶料温度升高，发生热氧化断链，使胶料的平均分子量减小，从而达到塑炼的目的。

机械力作用：初期起剪切、摩擦，使胶料升温作用后期起搅拌，增加与氧接触面积作用

氧气作用：既是大分子自由基引发剂，又是大分子自由基终止剂

塑解剂作用：同氧气，增塑效果好，一般均加入。3、螺杆机塑炼原理

在螺杆塑炼机中，生胶一方面受到螺杆的强烈的机械搅拌作用，另一方面，由于生胶受螺杆与机身内壁的摩擦产生大量的热，温度高达150~180℃，从而加速氧化裂解，获得塑炼效果。优点：能连续生产，生产能力大，适用于大型轮胎厂。缺点：排胶温度高，塑炼胶的热可塑性大，质量不均，排胶不规则。平均分子量：不断减小分子量分布：变窄分子量级分：高分子量分子链减少，中等分子量级分增多，低分子量级分变化不大分子链数目：增多4、塑炼后橡胶分子结构的变化5、影响因素①机械力：机械力增大，塑炼效果变好。②氧气：氧气是最好的塑解剂，分子链上结合0.3％的氧，可使橡胶分子量由10万降到5千。③温度：低温区（<110℃），随着温度升高，塑炼效果下降；

高温区（>110℃），随着温度升高，塑炼效果提高。④静电的作用：塑炼过程中，胶料受到强烈的摩擦作用产生静电。静电积累产生放电现象，使空气中的氧活化变为原子态氧和臭氧，加速橡胶分子的氧化断链作用。⑤化学塑解剂

终止型（低温塑解剂）：苯硫酚、五氯硫酚。

引发型（高温塑解剂）：过氧化苯甲酰（BPO）、偶氮二异丁腈（AIBN）等。

混合型（链转移型塑解剂）：促进剂M、DM和2，2’-二苯甲酰胺二苯基二硫化物。（三）塑炼准备工艺生胶选胶烘胶破胶塑炼剔除杂质、发霉胶包烘透，温度均匀带花纹辊筒烘胶在烘胶房中进行，温度不宜过高，否则会影响橡胶的物理机械性能。NR一般在50~60℃，时间为4~36h，冬季加热时间为36~72h。CR一般在24~40℃，时间为4~6h。切胶（四）塑炼工艺方法1、开炼机塑炼的工艺方法及影响因素开炼机塑炼工艺方法薄通法爬高法化学增塑法包辊法一段塑炼分段塑炼二段塑炼三段塑炼四段塑炼（1）开炼机塑炼工艺方法①容量过多，堆积胶多，不易进入辊距，散热困难，降低塑炼效果；过少，生产效率低。容量由胶种和设备规格决定。②辊距减小辊距，增大剪切，有利于提高塑炼效果；③辊速和速比提高辊速和速比，能提高塑炼效果；过大，生热高，需加强冷却；④辊温辊温升高，塑炼效果下降。（实验中发现辊温对门尼黏度影响不大）⑤塑炼时间开始胶料门尼迅速下降，15min后趋缓；分段塑炼可进一步提高可塑度；⑥化学塑解剂能提高生产效率，节省能耗，减小弹性复原性和加工收缩性，适当提高塑炼温度，以70~75℃为宜。（2）开炼机塑炼的影响因素2、密炼机塑炼工艺方法及影响因素时间长，效率低，胶料的可塑度低，可塑度不均匀。效率高，可塑度高，均匀性好，但管理不方便效率最高，可塑度高，时间短，但均匀性欠佳。（1）密炼机塑炼工艺方法密炼机塑炼方法一段塑炼法分段塑炼法化学增塑塑炼法塑解剂要以母炼胶的形式加入。（2）影响因素因素容量填充系数为0.75合适。上顶栓压力转子转速增大转速能提高塑炼效果和生产效率，但过快生热高，可塑度难控制，应加强冷却，防止过炼。塑炼时间化学塑解剂0.5~0.8MPa，压力能提高塑炼效果和生产效率。温度随排胶温度升高，塑炼效果急剧增大，但易过炼。NR塑炼排胶温度以140~160℃为宜；SBR应低于140℃。排胶温度一定，塑炼效果随塑炼时间线性增大，后趋缓。挥发份增多，时间短，效率高，温度低，能耗低，塑炼胶质量好。（五）塑炼补充工艺（1）压片或造粒（2）冷却与干燥（3）停放干燥后的胶片按规定堆放4~8h以上才能恭下道工序使用。（4）质量检验二、原材料的质量检验1、生胶的检验元素组成、杂质含量、门尼黏度、挥发份含量、含水率等。2、配合剂的检验固体配合剂的粒度、纯度、酸碱度、吸油值、金属离子含量、熔点、分解温度、挥发份含量等；液体配合剂的苯胺点、倾点、闪点、沸点、含水率、挥发份含量等。三、配合剂的补充加工粉碎、筛选、干燥、母胶和油膏的制备等。四、称量配合手工称量、全自动称量△1、混炼胶微观结构

混炼胶为多相分散体系，其中连续相为橡胶分子链，分散相为配合剂颗粒。橡胶平均分子量大小及分布，配合剂分散相尺寸及分布构成了混炼胶的微观结构。第三节、炼胶工艺及理论一、混炼理论2、炭黑橡胶混炼过程a－加入配合剂，落下上顶栓；b－上顶栓稳定c－功率最低值d－功率二次峰值e－排料f—过炼及温度平坦混炼时的容积、功率、温度变化曲线混炼过程：（1）湿润（2）分散（3）捏炼混炼时间/min3、混炼机理（1）吃粉开炼机吃粉：返回胶与堆积胶拥挤产生狭缝，配合剂进入狭缝，被胶料包围。过程慢，时间长。密炼机吃粉：返回胶与上顶栓的包围。过程快，时间短。（2）分散必要条件：①有速比②有流道变化分散过程：胶料和配合剂团块破碎胶料弹性收缩

简单混合配合剂分散配合剂小团块与橡胶混合（3）分散均匀开炼机采用翻炼、薄通打三角包；密炼机利用转子突棱的混合作用。4、结合橡胶的作用结合橡胶的生成有利于混炼过程中炭黑附聚体的破碎和均匀分散，防止已分散炭黑的再聚结，保持稳定。在炭黑橡胶团块破碎之前生成过多的结合橡胶，不利于炭黑团块的破碎，分散性变差；混炼后期生成更多的结合橡胶，有利于提高橡胶的强度。5、表面活性剂的作用（1）提高橡胶在固体配合剂表面的湿润性，提高分散效果；（2）使配合剂稳定的分散在胶料中，防止配合剂重新聚结。如防止炭黑、氧化锌的聚结。二、混炼工艺（一）开炼机混炼工艺1、工艺过程（1）包辊影响因素：生胶的性质（格林强度、断裂拉伸比、最大松弛时间等）辊筒的温度：破碎不包辊包辊脱辊粘辊剪切速率：增大能改善包辊性（2）吃粉影响因素：胶料的黏度(低易吃粉）辊筒温度（高易吃粉）配合剂粒径和结构性（粒径大，结构性低易吃粉）堆积胶的量（合适易吃粉）加料方式（摆动加料易吃粉）（3）翻炼（捣胶）切割翻炼薄通，打三角包2、加料顺序（1）加料顺序遵循的一般原则：a.用量少，作用大的先加；b.在胶料中难分散的先加；c.临界温度低，化学活性大，对温度敏感的应在混炼降温后加；d.硫黄与促进剂分开加；e.软化剂与补强填充剂分开加。（2)特殊情况：硬质胶（硫黄30～50份）先加硫黄后加促进剂；海绵胶：软化剂用量多，先加一部分，或放在最后加；内胎胶：滤胶后再加硫黄。（3）一般加料顺序：生胶或塑炼胶固体软化剂促进剂、活性剂、防老剂、防焦剂补强填充剂液体软化剂硫黄超速促进剂3、开炼机混炼特点（1）优点混炼胶质量好，配合剂分散性好；变换配方容易，易清洗；适合特种橡胶或特种配合时炼胶（2）缺点质量波动大，过程难控制；混炼时间长，效率低；劳动强度大，操作不安全；配合剂易飞扬，造成质量损失，污染环境（二）密炼机混炼工艺1、工艺过程（1）吃粉（2）分散（3）捏炼2、工艺方法（1）一段混炼法：适用：粘度低、填充量少、生热低的胶料，如以NR为主的胶料。优点：胶料管理方便，节省停放面积。缺点：可塑度低，不易分散均匀，混炼周期长，易焦烧和过炼。具体方法：

传统一段混炼法：按顺序加料。采用慢速或变速密炼

分段投胶一段混炼法：分批投加生胶。（2）分段混炼法两段混炼法：

传统两段混炼法：快速母炼，再慢速终炼，排胶加硫黄

分段投胶两段混炼法：快速母炼(80%)，慢速终炼(20%)，排胶加硫黄。三段混炼：一段快速母炼，二段慢速，三段慢速终炼加硫四段混炼：一段快速母炼，二、三段慢速，四段慢速终炼加硫（3）逆混（倒混）炼法:先把除硫黄、促进剂之外的配合剂全部加入密炼机，再加生胶。适用于生胶挺性差的BR、EPR、IIR和高炭黑、高油配合的胶料。3、工艺条件及影响因素填充系数：合成胶0.6~0.7；NR0.7~0.8；容量根据胶料配方、密炼机特点、混炼方法及工艺条件确定。容量过大，混炼均匀度下降，设备超负荷，生热高，易过炼；过小，效率低，效果不良。（1）混炼容量先加生胶，再加表面活性剂、固体软化剂和小料，再加炭黑，基本分散后加液体软化剂，最后降温加硫化剂和促进剂。其中生胶、炭黑和油的加入顺序和时间特别重要。BR和EPDM混炼时，先加除硫化剂和促进剂以外的配合剂，再加生胶（逆混法）。（2）加料顺序慢速密炼机上顶栓压力为0.5~0.6MPa，中、快速密炼机为0.6~0.8MPa，最高达到1.0MPa。注意上顶栓加压方式，投加密度小的粉料时，应缓慢放下上顶栓，浮动加压一段时间后，将上顶栓提起一定高度，再通入压缩空气加压；配合剂量大时，应分批投加，分批加压；快速密炼加油时不提上顶栓。（3）上顶栓压力排胶温度门尼黏度上顶栓压力/MPa0.20.40.60.81白色亮点总面积比率/%1412.27.010.610.4分散度等级2.63.04.94.03.10.2MPa0.4MPa0.6MPa0.8MPa1.0MPa上顶栓压力/MPa0.20.40.60.81邵尔A硬度/度7070717070拉伸强度/MPa26.527.528.229.228.1拉断伸长率/%536562571598566100%定伸应力/MPa3.23.113.032.952.98300%定伸应力/MPa14.914.213.513.213.4拉伸永久变形/%3028303127撕裂强度/kN·m-187.978.6107.4121.398.6回弹性/%5657575856压缩疲劳温升/℃17.917.717.617.517压缩永久变形/%3.093.233.33.533.31密度/g·cm-31.1261.1251.1261.1261.126卲坡尔磨耗△V/cm-30.1190.110.1110.1040.112上顶栓压力对NR硫化胶物理机械性能的影响（4）冷却水温度排胶温度门尼黏度

20℃30℃40℃50℃60℃70℃冷却水温度/℃203040506070白色亮点总面积比率/%11.911.510.77.09.712.2分散度等级2.72.93.74.94.13.6冷却水温度/℃203040506070邵尔A硬度/度747171716969拉伸强度/MPa24.124.424.628.228.228.7拉断伸长率/%417476488566548581100%定伸应力/Mpa43.593.073.132.942.67300%定伸应力/Mpa16.715.914.414.414.413.7拉伸永久变形/%252626303030撕裂强度/kN·m-163.873.379.2107.490.695.4回弹性/%575756575857压缩疲劳温升/℃22.217.817.717.617.116.5压缩永久变形/%3.293.243.323.53.383.28密度/g·cm-31.1331.1261.1251.1261.1271.126卲坡尔磨耗△V/cm-30.1240.1090.120.1110.1070.102冷却水温度对NR硫化胶物理机械性能的影响屈挠疲劳裂口增长速度（5）起始温度转子转矩胶料温度能耗门尼黏度45℃50℃60℃70℃起始温度/℃45506070白色亮点总面积比率/%9.18.57.78.0分散度等级4.35.05.35.1起始温度/℃45506070邵尔A硬度/度75747474拉伸强度/MPa28.528.729.427.6拉断伸长率/%563571582537100%定伸应力/MPa3.983.853.764.12300%定伸应力/MPa17.317.316.617.5拉伸永久变形/%35323035撕裂强度/kN·m-173.580117.170.4回弹性/%50505050压缩疲劳温升/℃18.619.519.818.6压缩永久变形/%2.862.772.722.88密度/g·cm-31.1221.1271.1251.125卲坡尔磨耗△V/cm-30.120.1190.1070.118起始温度对NR硫化胶物理机械性能的影响屈挠疲劳裂口增长一段混炼100~130℃以下分段混炼的终炼100~130℃以下分段混炼的第一段混炼145~155℃投加不溶性硫黄90~95℃排胶温度可通过调整转子转速、炼胶量、冷却水温度等控制。冷却水温度40~45℃较好，混炼周期短，能耗低。排胶温度：（6）转子转速转子转矩胶料温度混炼能耗门尼黏度转速/r·min色亮点总面积比率/%12.09.52.94.86.1分散度等级3.33.55.85.3550r/min60r/min70r/min77r/min90r/min转速/r·min-1性能5060707790邵尔A硬度/度7575747473拉伸强度/MPa25.225.426.327.126拉断伸长率/%525512466464486100%定伸应力/Mpa5.445.475.245.055.22拉伸永久变形/%4035303035撕裂强度/kN·m-158.263.379.283.583.5回弹性/%5051494949压缩疲劳温升/℃2019.618.91918.8压缩永久变形/%3.213.183.063.062.98密度/g·cm-31.1261.131.1311.131.13卲坡尔磨耗△V/cm-30.1170.1160.110.1090.110转速对NR硫化胶物理机械性能的影响屈挠疲劳裂口增长（7）混炼时间门尼黏度屈挠疲劳裂口增长混炼时间/min12345白色亮点总面积比率/%8.78.05.48.95.4分散度等级4.14.75.45.06.21min2min3min4min5min混炼时间/min12345邵尔A硬度/度7272737272拉伸强度/MPa23.424.524.325.926.3拉断伸长率/%406413432460477100%定伸应力/MPa3.63.553.543.43.37300%定伸应力/MPa16.916.516.616.216拉伸永久变形/%2525303030撕裂强度/kN·m-182.875.878.480.7106.9回弹性/%5151504949压缩疲劳温升/℃18.318.318.117.816.8压缩永久变形/%2.062.192.262.633.23密度/g·cm-31.131.1271.1251.1281.128卲坡尔磨耗△V/cm-30.1030.09240.09650.08590.0801炭黑混炼时间对NR硫化胶物理机械性能的影响4、过程控制控制方法：（1）时间控制法：胶料性能最佳的混炼时间为标准，计时排胶；（2）温度控制法：胶料性能最佳的排胶温度为标准，